Матвей Бронштейн
Занимательная квантовая физика
Что же это за вещество, подмешанное к иоахимстальской руде и дающее столько лучей Беккереля? Ясно, прежде всего, что этого вещества там очень мало, иначе его давно заметили бы инженеры-химики, изучавшие химический состав урановой руды. А раз его там так мало и, несмотря на это, оно дает так много лучей Беккереля, значит, это должно быть какое-то еще неведомое химикам вещество, во много раз более радиоактивное, чем уран или торий. В иоахимстальской урановой руде спрятано неизвестное новое вещество, отличающееся огромной способностью испускать лучи Беккереля.
* * *
Вот к какому заключению пришли Пьер и Мария Кюри, и сразу же перед ними встала заманчивая задача – извлечь из иоахимстальской руды это таинственное новое вещество, которого там так мало, что обыкновенными химическими способами никому не удалось его там обнаружить: ведь только электрометр, указавший на повышенную (по сравнению с чистым ураном) радиоактивность иоахимстальской руды, заставил это неизвестное радиоактивное вещество выдать свое присутствие.
С этого момента (с апреля 1898 года) Пьер и Мария Кюри решаются посвятить себя этой задаче – извлечению нового радиоактивного вещества из иоахимстальской руды.
Пьер Кюри приостановил все другие работы, которые он вел в своей лаборатории, и присоединился к работе Марии Кюри. Первым делом нужно было получить для обработки большое количество материала, содержащего в себе это неизвестное вещество. Сама урановая руда очень дорога, и поэтому Пьер и Мария Кюри отказались от мысли получить ее в чистом виде. Но урановая руда дорога только потому, что в ней есть уран, а ведь Пьеру и Марии Кюри сам уран был не нужен, и поэтому они охотно согласились получить не уран, а то, что остается от урановой руды после того, как из нее уже извлечен уран: этот остаток и должен был, по мнению Кюри, содержать в себе таинственное новое вещество. В Иоахимстале, на заводах, где перерабатывают добытую в рудниках урановую смоляную руду, делают так: руду сперва растирают в порошок, затем размешивают с содой и тщательно промывают горячей водой, к которой подмешано немного серной кислоты. При этом соли растворяются в воде, и их затем уже добывают оттуда. Но при такой промывке порошка горячей водой не все растворяется в воде: осадок, в котором уже нет никакого урана, остается, и его просто выбрасывают (или, лучше сказать, выбрасывали в те времена, потому что теперь, после того, как Пьер и Мария Кюри научили химиков добывать из этого осадка новые радиоактивные вещества, он ценится еще больше, чем чистый уран, а тогда он считался просто никому не нужным отбросом). Вот этот-то осадок Пьер и Мария Кюри и захотели исследовать; по их мнению, в нем должно было содержаться неизвестное вещество, которому иоахимстальская руда обязана своей повышенной радиоактивностью. Добыть это вещество из осадка было очень заманчиво: если даже ничтожная примесь этого вещества дает так много лучей Беккереля, то сколько же лучей даст само вещество, если удастся его добыть в достаточно большом количестве! Ясно, что для этого понадобится переработать в лаборатории много пудов осадка, остающегося после удаления урана из смоляной руды. Все это должно было потребовать от Пьера и Марии Кюри огромной работы, но их это не устрашило. У них не было денег, но, к счастью, удалось убедить известного миллионера барона Ротшильда пожертвовать несколько тысяч франков на устройство новой лаборатории; кроме того, австрийское правительство (Чехия тогда принадлежала Австрии, и иоахимстальские рудники были собственностью правительства) согласилось подарить настойчивым французским физикам целых два вагона отбросов, остающихся от урановой руды после добычи из нее урана. Все это было привезено в Париж и свалено в лаборатории, которую устроили себе супруги Кюри. Сама «лаборатория» – правду сказать – имела не очень внушительный вид: это был большой сарай на улице Ломон, неудобный и сырой, в котором было лишь самое необходимое; приборов было очень мало, вентиляции почти никакой, так что многие химические реакции, при которых выделяются вредные газы, приходилось производить на дворе. Но сколько чудесных часов провели в том сарае Пьер и Мария Кюри, увлеченные поисками нового радиоактивного вещества!
Трудная задача предстояла Пьеру и Марии Кюри – потруднее, чем отыскать иголку в стоге сена. Здесь не удастся пересказать все те сложные и хитроумные химические способы, которые они придумывали и применяли по разделению исследуемого материала на составные части. К каждой такой составной части они подносили заряженный электрометр, чтобы узнать, испускает ли он лучи Беккереля или нет. Если нет, то они ее выбрасывали, а если да, то ее предстояло снова разделить на составные части, снова исследовать их при помощи электрометра, и так далее, и так далее, пока, наконец, таинственное вещество, за которым они так охотились, не будет выделено в чистом виде.
Очень скоро Пьер и Мария Кюри установили, что неизвестных радиоактивных веществ в исследуемом ими материале не одно, а два. Одно из них по своим химическим свойствам должно было быть похоже на висмут, потому что во всех химических реакциях, куда шел висмут, туда шло и это вещество, присутствие которого было заметно по действию его лучей Беккереля на заряженный электрометр. Другое же вещество по своим химическим свойствам напоминало металл барий, потому что оно повсюду следовало за барием. Уже 18 июля 1898 года Пьер и Мария Кюри могли добыть из иоахимстальской руды химический препарат с заметной примесью первого из этих двух веществ (похожего на висмут). Этому веществу они дали название «полоний» (в честь Польши – родины Марии Кюри). Полученный ими препарат полония был во много раз активнее, чем самый чистый уран. А через несколько месяцев, 26 декабря 1898 года, они послали в Академию новое сообщение: они добыли из той же руды другой препарат, в котором содержалось второе неизвестное вещество (похожее на барий). Препарат испускал лучи Беккереля в 900 раз сильнее, чем такое же количество чистого урана. Значит, в этом препарате должно было быть какое-то вещество, в огромное число раз более радиоактивное, чем уран. Добыть это вещество по возможности в большом количестве в чистом (или по крайне мере в сильно сконцентрированном) виде – вот что стало целью жизни Пьера и Марии Кюри. Для достижения этой цели они отказались от всего на свете, просиживали в лаборатории дни и ночи за кропотливыми химическими анализами, стараясь найти способ отделить неизвестное вещество от бария, за которым оно следовало по пятам во всех химических превращениях. Нужно было как-нибудь окрестить это неизвестное вещество, за которым они охотились, и они назвали его радием, т. е. «лучистым веществом», в честь тех мощных потоков лучей Беккереля, которые это вещество будет испускать, когда удастся сконцентрировать его в заметном количестве.
В 1902 году, через четыре года после начала работы Пьер и Мария Кюри получили первые несколько дециграммов чистого хлористого радия, т. е. соединения радия с хлором (на каждый грамм хлористого радия приходится 0,76 г радия и 0,24 г хлора). Несколько маленьких белых кристалликов в форме острых иголочек – вот что получили Пьер и Мария Кюри после четырех лет работы, вот что они добыли из огромной груды переработанного ими иоахимстальского осадка. Но этот хлористый радий был в миллион раз радиоактивнее, чем такое же количество чистого урана, и этим Пьер и Мария Кюри были вознаграждены за огромную проделанную ими работу.
Заметим, что обыкновенно, когда добывают радий, ограничиваются тем, что получают его не в абсолютно чистом виде, а в виде его соединения с хлором или бромом. Впрочем, Мария Кюри в 1910 году получила радий и в чистом виде, пропуская через расплавленный хлористый радий сильный электрический ток: это тот же самый, известный всем еще из школьных учебников, способ электролиза, которым можно разложить на хлор и натрий расплавленный или растворенный в воде хлористый натрий (поваренную соль). Выделенный в чистом виде радий оказался, как и следовало ожидать, блестящим белым металлом, похожим на барий или кальций, с которыми у него есть химическое сходство. Пьер Кюри не дожил до того дня, когда радий был выделен в совершенно чистом виде: нелепый случай лишил его жизни – 19 апреля 1906 года он погиб под колесами телеги на улице Дофин в Париже.
В урановой смоляной руде радия очень мало: необходимо переработать много тонн руды, чтобы получить всего лишь один грамм радия. Но чудесные радиоактивные свойства радия, испускающего в миллион раз больше лучей Беккереля, чем чистый уран, оправдывают всю ту грандиозную работу, которую пришлось проделать супругам Кюри для извлечения радия из руды. В течение четырех лет, протекших от начала работы до получения первых кристалликов хлористого радия, каждый год получались все более и более концентрированные порции радиевых препаратов, и каждый год приносил новые неожиданные открытия. Уже в самом начале работы, когда Пьер и Мария Кюри получили препарат радия, в 900 раз превосходящий своей активностью уран (в декабре 1898 года), было замечено, что лучи Беккереля, как и лучи Рентгена, не только чернят фотографическую пластинку и ускоряют спадание листочков заряженного электрометра, но и заставляют ярко светиться в темноте экран, покрытый слоем платиноцианистого бария или какого-нибудь другого флюоресцирующего вещества. Это свойство лучей Беккереля впоследствии даже получило некоторое практическое применение: сернистый цинк, к которому подмешано самое крохотное количество радиоактивного вещества, светится в темноте под влиянием лучей Беккереля, испускаемых частицами этого вещества, а поэтому таким сернистым цинком с примесью радиоактивного вещества иногда рисуют цифры на циферблате часов и обмазывают стрелки, чтобы можно было ночью взглянуть на часы, не зажигая спички. Во время Первой мировой войны таким сернистым цинком обмазывали ружейные прицелы (чтобы ночью можно было прицеливаться в темноте), стрелки и буквы на магнитной буссоли и т. п.; это даже вызывало резкое повышение спроса и вздорожание радиоактивных веществ (о ценах радиоактивных веществ будет дальше рассказано подробнее).
Фотографическое действие лучей Беккереля тоже становилось все интенсивнее и заметнее по мере того, как Пьер и Мария Кюри приготовляли препараты, все более и более богатые радием. Вскоре после начала работы были получены препараты столь активные, что уже не требовалось длительных экспозиций (по нескольку часов), чтобы получилось заметное почернение фотографической пластинки от действия лучей Беккереля: стоило только поднести препарат, содержащий радий, На несколько секунд к завернутой в бумагу фотографической пластинке, как пластинка заметно темнела. В прекрасной книжке «Радий и его разгадка», которую написал английский химик Фредерик Содди – один из Первых исследователей радиоактивности (о его работах будет подробно рассказано дальше), – описывается следующий опыт: берется стеклянная трубочка, в которую помещен препарат, содержащий в себе немножко радия, и этой трубочкой медленно водят, выписывая какое-нибудь слово, как карандашом, по фотографической пластинке, завернутой в черную бумагу, защищающую ее от всех видимых лучей света. После того, как пластинка проявлена, на ней оказывается написанным это слово: Radium.
Вот как быстро лучи Беккереля зачернили те места пластинки, к которым была поднесена трубочка с препаратом радия!
В самых первых опытах над препаратами радия было замечено, что вещество, содержащее радий, всегда немножко теплее, чем все окружающие предметы. Пьер Кюри решил воспользоваться этим для того, чтобы измерить энергию лучей Беккереля, испускаемых радием. В самом деле, эти лучи Беккереля, которые чернят фотографическую пластинку, делают воздух проводником электричества, заставляют флюоресцирующий экран светиться, – должны же эти лучи Беккереля иметь какую-то энергию для того, чтобы делать все это!
Пьер Кюри взял калориметр – прибор, в котором по количеству растаявшего в нем льда определяется, сколько выделилось в приборе тепла, – и поместил туда препарат pадия. Калориметр был взят такой, что все лучи Беккереля, которые испускал препарат, не могли выходить из прибора, все они, как говорят, «поглощались» в массе льда в толстых стенках калориметра. Взвесив растаявший лед и зная, сколько требуется тепла для того, чтобы расплавить это количество льда, Пьер Кюри сумел измерить количество теплоты, выделяемое препаратом радия. Оказалось, что каждый грамм радия в течение часа выделяет из себя 140 калорий энергии (калория – это та энергия, которая нужна, чтобы поднять температуру одного грамма воды на один градус Цельсия). Энергия, отдаваемая радием, уходит с лучами Беккереля, но если эти лучи задержать, поглотить их, как было сделано в опыте Пьера Кюри с калориметром, то та же самая энергия выделяется в виде теплоты. 140 калорий в час! Эта энергия, выделяемая граммом радия, не очень велика: целых 50 часов должно пройти для того, чтобы грамм радия отдал столько же энергии, сколько отдает, сгорая, один грамм угля. Но зато грамм угля, сгорев, превратившись в углекислый газ, уже перестает отдавать энергию дальше, а грамм радия, отдав, хотя и очень медленно – в течение 50 часов – то же самое количество калорий, остается, по-видимому, таким же, каким он был, и продолжает испускать энергию тем же самым темпом.
Калориметр
Вот эта-то способность радия испускать, хотя и очень медленно, большие и казавшиеся совершенно неограниченными количества энергии должна была больше всего заинтересовать физиков: она и дала возможность говорить о загадке радия, о загадке радиоактивности, мучительной загадке, заставлявшей физиков 1900 года ломать себе голову над таинственными свойствами радия и его лучей. Что является причиной радиоактивных явлений? Что заставляет радиоактивные вещества испускать лучи Беккереля? Какова природа этих лучей, так похожих (на первый взгляд) на лучи Рентгена? Откуда радиоактивные вещества берут энергию, которую они затем отдают внешнему миру в форме энергии своих таинственных лучей? И действительно ли эта энергия неисчерпаема? Действительно ли кусочек радия представляет собой нечто вроде «перпетуум-мобиле» – вечного двигателя, о котором так страстно мечтали когда-то изобретатели, – двигателя, который все время может отдавать миру энергию, хотя в нем самом ничего не сгорает, не травится, не портится, не изменяется? Или, может быть, радий совсем не является исключением в мире, где все подчинено закону сохранения энергии, и, может быть, запасы энергии, содержащиеся в радии, хотя и велики, но совсем не неисчерпаемы, и если через 50 часов в грамме радия еще не заметно никакого иссякания, увядания, упадка, то через много недель или даже только через много лет уменьшение запасов энергии в радии должно стать заметным? Вот какие вопросы волновали физиков, изучавших радий, вот какие вопросы составляют содержание загадки радиоактивности, о которой говорит название этой главы нашей книжки.
В дальнейших главах мы узнаем, как была разгадана загадка радия и к каким огромным по своему значению последствиям привела разгадка этой загадки, позволившая физикам необыкновенно глубоко заглянуть в самые сокровенные тайны окружающего нас мира. Но, перед тем как приступить к рассказу о разгадке тайны радия, нужно будет хотя бы вкратце рассказать о том, в каком состоянии находилась физика того времени, когда загадка радия была поставлена и привлекала к себе всеобщее внимание; нужно будет рассказать о том, что физики знали вообще об устройстве вещества, когда им пришлось заняться более узким и специальным вопросом об устройстве радиоактивного вещества. Этому мы посвятим две следующие главы. В этих главах мы расскажем все то, что уже могли знать физики, которым предстояло разгадывать загадку радиоактивности, – все, что физики знали об устройстве вещества до 1902 года (год, когда Пьер и Мария Кюри выделили хлористый радий) и в течение нескольких следующих лет. Но еще перед тем, как погрузиться в эти трудные и важные главы, мы расскажем еще об одном удивительном свойстве радия – свойстве, которое привлекло к нему внимание не только физиков, но и самой широкой публики и вызвало к жизни великое множество практически важных последствий.
3 апреля 1901 года Анри Беккерель зашел в лабораторию Пьера Кюри и попросил у него разрешения взять на время препарат радия (Анри Беккерель собирался в этот день прочитать студентам лекцию о радиоактивности, и препарат радия ему нужен был для того, чтобы показать слушателям несколько опытов). Пьер Кюри дал ему стеклянную трубочку, в которой было немного (меньше 1 г) добытого из иоахимстальской руды вещества с большой примесью радия. Трубочка была завернута в бумагу и положена в картонную коробку. Эту коробку Беккерель небрежно засунул в жилетный карман, и она пролежала в кармане около шести часов. Лучи Беккереля, испускавшиеся этим препаратом, были так сильны, что когда Беккерель в пальто вошел в темную комнату, в которой был экран с платиноцианистым барием, и подошел к экрану, экран начал очень сильно светиться: лучи свободно проходили сквозь пальто, и даже когда экран подносили к спине Беккереля прямо напротив жилетного кармана, где была трубочка с препаратом радия, экран слегка светился под действием лучей, прошедших насквозь через грудную клетку Анри Беккереля.
Через 10 дней, 13 апреля, Беккерель обнаружил у себя на груди, как раз на том месте, где был жилетный карман, маленькое красное пятнышко. Боли не было никакой. Потом пятнышко начало расти, сделалось более темным, а через несколько дней оно приняло такую же форму и такие размеры, как стеклянная трубочка, в которой был радий. Еще через несколько дней Беккерель почувствовал сильную боль. Кожа растрескалась, образовалась язва, и Беккерель в ужасе обратился к врачу. Врач принялся лечить эту язву, как лечат обыкновенный ожог, и приблизительно через месяц язва закрылась и зарубцевалась. Но еще через два года после этого происшествия на груди Беккереля был виден отчетливый белый шрам в том месте, где раньше была эта ранка.
Когда Пьер Кюри узнал о происшествии с Беккерелем, он принялся нарочно делать вот какие опыты: один раз он привязал к своей руке препарат радия на десять часов. Через некоторое время у Кюри, как прежде у Беккереля, появилась краснота, началось воспаление, а через несколько дней открылась ранка. Она очень сильно болела и прошла только после четырех месяцев лечения; на коже, как и у Беккереля, остался глубокий белый шрам. Другой раз Пьер Кюри попробовал поносить в кармане крупинку радия полчаса; через 16 дней на коже образовался ожог, затем вскочил волдырь, который прошел только через две недели.
Обо всем этом Пьер Кюри рассказал парижскому доктору Данло, работавшему в госпитале Сен-Луи. Доктор Данло сразу сообразил, что если радий так сильно действует на человеческую кожу, то это должно оказаться очень важным для медицины. Ведь все врачи очень хорошо знают, что действие лекарств сильно зависит от дозы: если какое-нибудь лекарство благотворно действует на больного, когда его применяют в маленькой дозе, то в большой дозе оно может оказаться сильным ядом, способным отправить на тот свет и здорового. Не окажутся ли лучи радия, которые так вредны в большой дозе, хорошим лекарством для кожи, если их применять в маленькой дозе? Доктор Данло очень осторожно попробовал действовать слабенькими порциями лучей радия сначала на животных, потом на людей. Оказалось, что в маленьких дозах лучи радия хорошо излечивают экзему, лишаи, волчанку и всякие другие болезни кожи.
Опытами доктора Данло заинтересовались многие врачи и биологи, и с тех пор медицинские действия лучей радия были очень хорошо изучены в клиниках и в биологических лабораториях. Врачи скоро заметили, что сильные лучи радия, разрушая клетки и ткани человеческого тела, не на все клетки и не на все ткани действуют одинаково: те клетки, которые обладают способностью очень быстро размножаться, гораздо сильнее страдают от разрушительного действия лучей радия, чем медленно размножающиеся клетки. Это открытие оказалось очень важным, и вот почему: существует такая болезнь – рак; это очень мучительная болезнь, от которой погибает множество людей и которая прежде считалась совершенно неизлечимой. У больного раком образуется на коже или во внутренних органах, например в гортани, в желудке, раковая опухоль, очень быстро разрастающаяся и заражающая весь организм больного теми частицами, которые она рассылает во все органы его тела. Клетки, из которых состоит раковая опухоль, размножаются очень быстро: гораздо быстрее, чем те клетки, из которых состоят здоровые ткани. А так как лучи радия тем сильнее разрушают ткань, чем быстрее размножаются ее клетки, то вывод ясен: необходимо воздействовать на раковую опухоль, оставив окружающие здоровые ткани почти невредимыми. Такой способ лечения рака врачи стали применять уже через несколько лет после открытия радия, и этот способ давал прекрасные результаты. Лечение производится так: препарат радия помещают в золотой футляр и прикладывают к раковой опухоли. Если только болезнь не слишком запущена, т. е. если микроскопические кусочки опухоли еще не успели разнестись (по кровеносным и лимфатическим сосудам) по всему телу больного, то лечение обыкновенно очень хорошо удается. Плохо оно удается только в тех случаях, когда раковая опухоль растет очень глубоко внутри тела, например в желудке. Опухоль на коже уничтожается при достаточно энергичном лечении очень быстро – недели в две.
Когда врачи стали лечить лучами радия разные болезни, то на радий сейчас же появился спрос. Все крупные больницы обязательно захотели иметь у себя хотя бы крупинку этого вещества для того, чтобы излечивать кожные болезни. Но радий доставать было очень трудно, немецкий физик Гизель вскоре после того, как Пьер и Мария Кюри открыли радий, достал из Иоахимсталя небольшое количество тех же остатков от переработки урановой смоляной руды, которыми пользовались супруги Кюри, и начал добывать из них радий, применяя те же самые способы. После этого он очень великодушно разослал весь добытый им радий всем физикам, которые занимались изучением лучей Беккереля и пробовали разгадать тайну радиоактивности. Австрийское правительство очень скоро сообразило, что отбросы от переработки урановой смоляной руды теперь будут цениться дороже самого урана, и просто-напросто запретило вывозить эти отбросы за границу. Это подняло цены на радий до таких пределов, что даже те физики, которые больше всего сделали для открытия и добычи радия (Пьер и Мария Кюри, Гизель), потеряли всякую возможность его покупать. Когда через несколько лет после открытия радия английским физикам понадобилось крохотное количество радия для научной работы, они вынуждены были использовать очень сложную протекцию: обратились к принцу Уэльскому (наследнику английского престола), он воспользовался своими знакомствами и связями во дворе австрийского императора, чтобы получить разрешение вывезти из Австрии некоторое количество остатков от переработки урановой смоляной руды.
